力量传感器的制作方法

本发明涉及一种力量传感器，特别是一种可以快速响应(fastresponse)的力量传感器(forcesensor)。

背景技术

图1a-1b,2,3a-3b显示一种常见的力量传感器。

图1a显示常见的力量传感器未被压的状态。

图1a显示力量传感器100包括有一个隔离单元(spacer)14设置于上层堆栈10和下层堆栈10b之间，该隔离单元14系压敏粘合式(pressuresensitiveadhesive,psa)隔离单元，该psa隔离单元14设置于上层堆栈10和下层堆栈10b之间。该psa隔离单元14保持上层堆栈10和下层堆栈10b之间的固定空间。图中显示该psa隔离单元14被压下之前的高度g11与宽度w11。

图1b显示常见的力量传感器被压下之后的状态。

图1b显示常见的力量传感器100被压下之后，psa隔离单元14的高度g12与宽度w12。高度g12小于原来的高度g11，宽度w12则比原来的宽度w11宽。这是因为psa是一种具有黏弹性(viscoelastic)的材料，也就是具有流动性(flowable)与黏性(sticky)。当力量传感器100被压下时，psa隔离单元14受到压力影响而沿着压力方向变形，而发生下压信号稳定延迟(depressionsignalstabilizationdelay)的现象。同样地，当力量传感器100被释放时，在psa隔离单元14的黏弹性，影响压电材料13的复原(restoration)，而发生复原信号稳定延迟(restorationsignalstabilizationdelay)的现象。

现有技术的缺点是：当传感器100被压下以后，发生致动信号延迟(actuationsignalstabilizationdelay)现象；同样地，当压力释放以后，发生复原信号稳定延迟(restorationsignalstabilizationdelay)的现象。

现有技术的信号延迟(signaldelay)，对于后续的电性应用产生很大困扰。基于实际上的需求，一个可以快速响应的力量传感器亟待被开发，以便快速地、精确地测量一个正确的力量信号。

图2显示现有技术的阻抗对时间曲线图。

图2显示在时刻t0时，力量传感器100处于待机状态，阻抗(impedance)为基准信号水平(baselinesignallevel)的阻抗i0；在时刻t1时，力量传感器100被一个定力压下，阻抗朝向阻抗i2逐渐下降，直到稳定。我们设定在稳定阻抗i2的前面10％位置，以阻抗i1表示；且假设压下以后，阻抗由i0到i1需要三秒钟(3sec)以上，所以在阻抗到达i1时，时间以t1+3s表示。

图中对阻抗i2的前面10％位置的计算方法如下：

abs(i1-i2)/i2≦10％；其中，

abs：绝对值；

i1：实际信号的阻抗；

i2：固定力量下的稳态信号水平(steady-statesignallevel)的阻抗。

这显示力量压下以后，得到稳定信号的时间，至少延迟了3秒钟。

图中显示力量传感器100在时刻t2时被释放，力量释放以后，阻抗朝向基准信号水平i0逐渐上升。我们假设实际阻抗由i2到达阻抗i3时需要3秒钟(3s)，所以，以t2+3s表示实际阻抗到达阻抗i3的时刻。其中，阻抗i3是相对于基准信号水平的阻抗i0的前面10％位置。

图中对阻抗i0前面10％位置的计算如下：

abs(i0-i3)/i0≦10％；其中，

i3：实际信号的阻抗。

i0：稳态信号水平(steady-statesignallevel)的阻抗。

这显示力量释放以后，得到稳定信号的时间，至少延迟了3秒钟。

图3a-3b显示现有技术的剥离试验。

图3a显示现有技术在实施剥离试验前的状态。

图3a相同于图1a的结构，显示剥离试验实施前的力量传感器100，一个向上力量准备施加于上层基板11上。

图3b显示现有技术在剥离试验后的状态。

图3b显示psa隔离单元14被撕开，上层基板11底面有残留psa141，这显示psa隔离单元14的内聚力(cohesiveforce)比粘合力(adhesiveforce)小。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种可以对施加或是释放的力量变化快速反应并产生对应信号，受压以后不会变形，没有信号延迟(signaldelay)现象发生的力量传感器。

根据实施例，本发明提供的一种力量传感器，包括上层堆栈、下层堆栈、固态接合隔离单元控制电路和控制电路，其特征是，上层堆栈具有上层基板，该上层基板设置于该上层堆栈的顶面；下层堆栈具有下层基板，该下层基板设置于该下层堆栈的底面；固态接合隔离单元设置于该上层基板和该下层基板之间，当力量传感器在基底状态时，固态接合隔离单元用以保持上层基板以及下层基板之间的相对位置固定；控制电路电性耦合到该力量传感器，用于感测施加于该力量传感器上的力量，并且输出对应的信号。

本发明的快速响应力量传感器(fastresponseforcesensor)具有固态接合隔离单元(ssbspacer)、上层堆栈以及下层堆栈；其中，固态接合隔离单元(ssbspacer)设置于上层堆栈以及下层堆栈之间，固态接合隔离单元系呈现固体状(solidstate)，受压以后不会变形，所以，没有信号延迟(signaldelay)的现象发生。当施加或移除力量时，ssb隔离单元本身受压不变形，使得上层堆栈和下层堆栈保持固定的相对位置。ssb隔离单元处于固体状态，当使用者按下力量传感器时，ssb隔离单元不会变形，因此，输出信号的响应时间完全由压感材料的本质特性所决定；因此，本发明的快速响应力量传感器可以对施加或是释放的力量变化，快速产生的对应信号。

附图说明

图1a-1b,2,3a-3b显示一种常见的力量传感器。

图2为常见的力量传感器的阻抗对时间曲线图。

图3a-3b显示现有技术的剥离试验。

图4a-5显示本发明的第一实施例。

图6a-6c显示本发明不同形状的ssb隔离单元。

图7a-8b显示本发明的ssb隔离单元设置于不同位置。

图9a-9b显示对本发明力量传感器执行剥离试验。

图10a-10b显示施加切削试验于本发明的力量传感器。

图11a-11b显示压容式力量传感器200'未被压下的状态。

图12显示本发明实际实施例的电容对时间曲线图。

其中：10'为上层堆栈；100为力量传感器；10b为下层堆栈；10'b为下层堆栈；10为上层堆栈；11b为下层基板；11为上层基板；12b为下层电极；12为上层电极；13“为上层压容材料；13b为下层压感材料；13'b为下层压感材料；13为上层压感材料；14为psa隔离单元；141为残留psa；15b为下层绝缘层；15为上层绝缘层；200'为压容式力量传感器；200为压感式力量传感器；24为固态接合隔离单元；g'为粘性行为(viscosbehavior)系数；g“为弹性行为(elasticbehavior)系数；g21为高度；g22为高度；tanδ为损耗正切角度；w21为宽度；w22为宽度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。

本发明揭露一个快速响应力量传感器，系利用固态接合(solid-statebonding,ssb)隔离单元(spacer)，设置于上层堆栈(topstack)和下层堆栈(bottomstack)之间。本发明的快速响应力量传感器，可以迅速响应于施加的力量大小。在快速响应力量传感器被压下之前和之后，ssb隔离单元并无显著的变形量，因此，可以保持上层基板11和下层基板11b之间的相对位置几乎无改变。本发明的ssb隔离单元处于固体状态，并且不参与变形运动，而可以快速响应使用者按下的力量大小。

本发明实施例中，压感材料13,13b，实际设计时，配合所需，可以是压电(piezo-electric)、压阻(piezo-resistive)、或是压容(piezo-capacitive)材料之一。

图4a-5显示本发明的第一实施例。

图4a显示本发明的力量传感器处于待机状态。

图4a显示力量传感器200，其结构包括上层堆栈10、固态接合隔离单元24、和下层堆栈10b。上层堆栈10，包括上层基板11、上层电极12、和上层压感材料13所构成。其中，上层电极12设置于上层基板11的底面，上层压感材料13设置于下层电极12的底面。

下层堆栈10b，包括下层基板11b、下层电极12b、以及下层压感材料13b所构成；其中，下层电极12b设置于下层基板11b的顶面，下层压感材料13b设置于下层电极12b的顶面。

ssb隔离单元24配置于上层基板11和下层基板11b之间，在基线状态(baselinestate)时，力量传感器200处于待机状态，ssb隔离单元24用以保持上层基板11与下层基板11b之间固定的相对位置。一个控制电路(图中未显示)电性耦合到力量传感器200，用于感测输出信号响应于用户对力量传感器200所施加的力量大小。图中显示力量传感器200处于待机状态时，ssb隔离单元24具有高度g21和宽度w21。

图4b显示本发明的力量传感器处于按压状态。

图4b表示力量传感器200被压下时，ssb隔离单元24在受压方向不改变它的尺寸。在图4b的剖视图中，显示ssb隔离单元24的高度g22与原始高度g21相同，宽度w22与原始宽度w21相同。这是因为ssb隔离单元为固体，不具有流动性、也不具有粘性。当力量传感器200被压下时，ssb隔离单元24保持固定的形状。基于ssb隔离单元24不影响压感材料13的变形率(deformationrate)，所以不会产生信号延迟。同样地，当力量传感器200被释放时，ssb隔离单元24不需要形状还原(restoration)，所以也没有形状还原所引起的信号延迟。

在一个阻抗(impedance)对时间(time)图中，当该力量传感器200被按下开始，阻抗i0到达阻抗i1，需时在三分之一秒(<1/3second)以内，便可以得到一个误差10％以内的信号；其中的阻抗i1误差10％的定义，系相对于一个「稳定状态信号水平」(steady-statesignallevel)时的阻抗i2，在误差10％的位置。

当该力量传感器200被释放，在一个阻抗(impedance)对时间(time)图中，阻抗i2到达阻抗i3，需时在三分之一秒(<1/3second)以内，便可以得到一个误差10％以内的信号；其中的阻抗i3差10％的定义，系相对于一个基线信号水平(baselinesignallevel)的阻抗i0，在误差10％的位置。

图5显示本发明阻抗对时间的曲线图。

图5显示一个实际实施例，在时间为t0时，力量传感器200处于待机状态，此时，具有一个基准信号水平(baselinesignallevel)的阻抗i0。当时间为t1时，力量传感器200被一定的力量按下时，阻抗i0下降至阻抗i1需时仅0.1秒。其中的实际信号(actualsignal)阻抗i1的定义，系相对于稳定状态信号水平(steady-statesignallevel)时的阻抗i2，在误差10％的位置。

10％误差的计算如下：

abs[(i1-i2)/i2]≦10％；其中，

abs：绝对值。

i1：实际信号的阻抗

i2：稳定状态信号水平(steady-statesignallevel)时的阻抗。

在时间为t2时，力量传感器200被释放时，阻抗上升迅速且朝向基准信号水平i0前进。实际信号阻抗i2上升到阻抗i3，需时仅0.1秒。其中的阻抗i3的定义，系相对于一个基线信号水平(baselinesignallevel)的阻抗i0，在误差10％的位置。

10％误差的计算如下：

abs[(i0-i3)/i0]≦10％；其中，

abs：绝对值。

i3：实际信号的阻抗。

i0：基准信号水平(baselinesignallevel)时的阻抗。

这个实施例显示一个快速反应力量传感器，在施压前后，信号到达稳定，需时仅0.1秒或以内。

图6a-6c显示本发明不同形状的ssb隔离单元。

图6a显示ssb隔离单元24顶视图，ssb隔离单元24呈环壁状。

图6b显示ssb隔离单元24顶视图，ssb隔离单元24呈两个半圆环壁状。

图6c显示ssb隔离单元24顶视图，ssb隔离单元24呈四个四分之一环壁状。

图7a-8b显示本发明的ssb隔离单元设置于不同位置。

图7a显示上层压感材料13横向延伸超出上层电极12的侧边，覆盖于上层基板11的底表面的一部分，延伸的上层压感材料13设置于上层基板11和ssb隔离单元24之间，使得ssb隔离单元24的顶端连接到该上层压感材料13底面。类似地，下层压感材料13b横向延伸超过下层电极12b的侧边缘，覆盖于下层基板11b的顶表面的一部分，延伸的下层压感材料13b设置于下层基板11b和ssb隔离单元24之间，使得ssb隔离单元24的底端连接到下层压感材料13b顶面。

图7b显示力量传感器200进一步包含上层绝缘层15，上层绝缘层15设置于上层基板11与ssb隔离单元24之间，使得ssb隔离单元24的顶端连接到上层绝缘层15底面。类似地，一个下层绝缘层15b设置于下层基板11b与ssb隔离单元24之间，使得ssb隔离单元24的底端连接到该下层绝缘层15b顶面。

图8a显示力量传感器200的上层电极12横向地延伸到上层基板11和ssb隔离单元24之间的一个区域，使得ssb隔离单元24的顶端连接到上层电极12底面。力量传感器200的下层压感材料13b横向延伸到下层基板11b和ssb隔离单元24之间的一个区域，使得ssb隔离单元24的底端连接到下层压感材料13b顶面。在截面图中，上层电极12和下层电极12b沿着相反方向延伸。

图8b显示力量传感器200一个类似于图8a的结构，不同的是，在这个剖视图，上层电极12与下层电极12b在同一方向延伸，使得左边ssb隔离单元24上下分别连接至上层的压感材料13和下层压感材料13b，右边ssb隔离单元24上下分别连接至上层电极12和下层电极12b。

本发明的压感材料13,13b，实际设计时，依据需要可以选用压电材料、压阻材料，或是压容材料。

ssb隔离单元24在室温下为固体，ssb隔离单元24的制成，可以通过相变方法(phasechange)，将流体状态(flowablestate)材料转变成固体状态(solidstate)而形成。相变化制程，选自于下述族群中的一种：

热固性粘合剂的热固化制程(thermalcuringofthermosetadhesive)；

热固性粘合剂的湿固化制程(moistcuringforthermosetadhesive)；

热固性粘合剂的溶剂蒸发制程(solventevaporationforaglue)；

热固性粘合剂的uv固化制程(uvcuredadhesive)；以及

热塑性粘合剂的加热以及冷却制程(heatingandcoolingforhotmeltadhesive)。

其中，用于热固化制程的热固性粘合剂，选自于下述族群中的一种：环氧树脂(epoxies)、丙烯酸树脂(acrylics)、氨基甲酸乙酯(urethanes)、厌氧胶(anaerobics)、酚醛树脂(phenolics)、乙酸乙烯酯(vinylacetates)、硅氧树脂(silicones)及其衍生物的材料。

其中，用于湿固化制程的热固性粘合剂，选自于下述族群中的一种：氰基丙烯酸酯(cyanoacrylates)，环氧树脂(epoxies)，丙烯酸树脂(acrylics)，厌氧胶(anaerobics)，硅氧树脂(silicones)及其衍生物的材料。

其中，用于溶剂蒸发制程的热固性粘合剂，选自于下述族群中的一种：环氧树脂(epoxies)，丙烯酸树脂(acrylics)、氨基甲酸乙酯(urethanes)、厌氧胶(anaerobics)、酚醛树脂(phenolics)、乙酸乙烯酯(vinylacetates)、硅氧树脂(silicones)及其衍生物的材料。

其中，用于uv固化制程的热固性粘合剂，选自于下述族群中的一种：环氧树脂(epoxies)，丙烯酸树脂(acrylics)、氨基甲酸乙酯(urethanes)、厌氧胶(anaerobics)、酚醛树脂(phenolics)、乙酸乙烯酯(vinylacetates)、硅氧树脂(silicones)及其衍生物的材料。

其中，用于加热以及冷却的热塑性粘合剂，选自于下述族群中的一种：氨基甲酸乙酯(urethanes)、氨基化合物(amide)、乙烯(ethylene)、乙酸乙烯酯(vinylacetates)及其衍生物的材料。

在室温下，ssb隔离单元24具有一个内聚力强度(cohesivestrength)大于粘合力强度(adhesivestrength)，当在室温下的结合界面，执行机械分离时，各断裂面保持干燥清洁，没有任何粘性残留物。

ssb隔离单元24具有一个损耗正切角度(losstangent)小于1(tanδ<1)的特性；其中，

tanδ是ssb隔离单元的损耗正切角度(tanδ＝g“/g')；

g“是弹性行为(elasticbehavior)系数；以及

g'是粘性行为(viscosbehavior)系数。

图9a-9b显示对本发明力量传感器执行剥离试验。

图9a显示剥离试验前的力量传感器。

图9a相同于图4a，图中显示剥离试验被施加之前的力量传感器200。接着，将力量传感器200从底面加以固定，准备施加向上的剥离力于上层基板11。

图9b显示剥离试验前的力量传感器。

图9b显示上层基板11从ssb隔离单元24被撕开，ssb隔离单元24没有残余物保留在上层基板11的底表面，这是因为隔离单元ssb24是固体，其具有内聚力(cohesiveforce)比粘合力(adhesiveforce)大的特质。在室温下，施加一个小于1公斤/平方公分的压力，想要重新结合两者是不可能的。

图10a-10b显示施加切削试验于本发明的力量传感器。

图10a显示施加切削试验前的力量传感器。

图10a相同于图9a，图中显示该力量传感器200被实施切削试验之前的状态。接着，将力量传感器200从底面加以固定，准备施加横向切割力于ssb隔离单元24。

图10b显示施加切削试验后的力量传感器。

图10b显示ssb隔离单元24被切断，获得清洁平坦的切割表面，没有粘性材料存在于被分离的ssb隔离单元的切削面上。

图11a-11b显示压容式力量传感器200'未被压下的状态。

在前面的段落中描述的压感式力量传感器200，具有ssb隔离单元24；现在以压容式力量传感器200'说明，同样使用ssb隔离单元24。

图11a显示压容式力量传感器200'，其包括上层堆栈10'、ssb隔离单元24、以及下层堆栈10'b。

上层堆栈10’，包括上层基板11、上层电极12、以及上层压容材料13'。上层电极12设置于上层基板11的底表面、上层压容材料13'设置于在上层电极12的底面。

下层迭层10’b，包括下层基板11b、下层电极12b、以及下层压容材料13'b。下层电极12b设置于下层基板11b顶面、以及下层压容材料13'b设置于下层电极12b的顶面。

ssb隔离单元24设置于上层基板11和下层基板11b之间，以保持上层基板11和下层基板11b之间固定的相对位置；一个控制电路(未显示)电性耦合到压容式力量传感器200’，用于感测使用者对力量传感器200’所施加的力量、并且输出响应的信号。图中显示，力量传感器200’处于待机状态时，ssb隔离单元24具有高度g21和宽度w21。

图11b表示压容式力量传感器200'被压下之后的状态。

图11b表示压容式力量传感器200'被压下的状态，ssb隔离单元24不改变它的尺寸。在剖视图中，ssb隔离单元24的高度g22与原始高度g21相同，宽度w22与原始宽度w21相同。这是因为，ssb隔离单元24是固体材料，不具有流动性、也不具有黏滞性。当压容式力量传感器200'被压下时，ssb隔离单元24保持固定的形状。由于ssb隔离单元24并不影响压容材料13'的变形率(deformationrate)，所以不会引起下压信号延迟(signaldelay)。同样地，当压容式力量传感器200'被释放时，ssb隔离单元24不需要形状的复原(restoration)，因此，ssb隔离单元24不会产生复原信号延迟(restorationsignaldelay)。

本发明在输出电容对时间图中，压容式力量传感器被按下以后，可以在1/3秒(second)以内，得到一个实际信号(actualsignal)c1在稳定信号(stead-statesignal)c2的10％误差内。

本发明在输出电容对时间图中，压容式力量传感器被释放以后，可以在1/3秒(second)以内，得到一个实际信号(actualsignal)c3在基线信号水平(baselinesignallevel)c0的10％误差内。

图12显示本发明实际实施例的「电容对时间」曲线图。

图12显示，力量传感器200’待机时，时刻t0为基准信号水平(baselinesignallevel)电容c0。

当压容式力量传感器200'在时间t1被压下一定的力时，电容朝向稳态信号水平(steady-statesignalleverl)电容c2上升。到达实际信号c1需时0.1秒(0.1second)；其中，实际信号c1是对稳态信号水平(steady-statesignallevel)电容c2的10％误差内。

10％误差的计算如下：

abs[(c1-c2)/c2]≦10％；其中，

abs：绝对值(absolutevalue)。

c1：实际信号(actualsignal)电容。

c2：稳态信号水平(steady-statesignallevel)电容。

当压容式力量传感器200'在时间t2被释放时，到达实际电容c3需时仅0.1秒(0.1second)；其中，实际信号c3是对基线信号水平(baselinesignallevel)电容c0的10％误差内。

10％误差的计算如下：

abs[(c0-c3)/c0]≦10％；其中，

abs：绝对值(absolutevalue)。

c3：为实际信号(actualsignal)电容。

c0：基线信号水平(baselinesignallevel)电容。

本实例显示本发明的力量传感器，对于力量施加与释放的信号可以快速响应，响应时间可以短至0.1秒或是更小，便可以获得稳定的响应信号。